JPH0762601B2 - 表面計測装置 - Google Patents

表面計測装置

Info

Publication number
JPH0762601B2
JPH0762601B2 JP6563786A JP6563786A JPH0762601B2 JP H0762601 B2 JPH0762601 B2 JP H0762601B2 JP 6563786 A JP6563786 A JP 6563786A JP 6563786 A JP6563786 A JP 6563786A JP H0762601 B2 JPH0762601 B2 JP H0762601B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
needle
magnetic field
vacuum
pointed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP6563786A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS62223602A (ja
Inventor
茂行 細木
啓二 高田
純男 保坂
敏之 会田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP6563786A priority Critical patent/JPH0762601B2/ja
Publication of JPS62223602A publication Critical patent/JPS62223602A/ja
Publication of JPH0762601B2 publication Critical patent/JPH0762601B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体表面の計測装置に係り、特に、表面の微
細構造などの三次元の計測ならびに表面電位を測定する
のに好適な表面計測装置に関する。
〔従来の技術〕
走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscop
y;以下STMと省略)なる測定装置がある。(例えばジー
・ビニングらによるフイジカル レビユー レター(Ph
ys.Rev.Lett)49 No.1 pp57〜61(1982)。第5図に
その概念を表す略図を示す。タングステンからなる尖針
1の微小な曲率半径(〜100Å)の突起と試料2の間隔
を10Å程度という微小な大きさに保つとき、尖針1と試
料2の間に電源5から数V以下の電圧をかけることによ
つて、尖針1という金属および試料2という金属の間に
は、真空という媒質をトンネル現象によつて電子が流れ
る。
試料2を圧電素子からなる試料走査装置4によつて移動
するとき、トンネル電流を検出器6および増幅器7で検
出増幅し試料2の表面の微細な凹凸に対応してトンネル
電流が一定になるように尖針1を圧電素子からなる尖針
駆動装置3によつて上下させる。このとき、例えば尖針
駆動装置3を駆動させる電圧は、試料表面の凹凸の信号
を増幅したものであり、X−Yレコーダー等でY軸に上
記電圧信号、X軸に試料微動量を表示することによつて
試料表面上のある直線部分での表面形状を得ることがで
きる。さらに上記を二次元の領域で走査することによつ
て試料表面の該当する領域での形状を得ることができ
る。
一方、上記STMの原型とみなされるトポグラフアイナー
(Topografiner)と称される装置が文献3に示されてい
る。上記STMが真空トンネル領域であるのに対して、こ
の装置では、振動対策の困難さ故に上記STMにおける金
属尖針1と試料2間の間隔10Åが達成できず、100〜100
0Åとなつたために、電界放出領域であり、尖針1が陰
極となり、電界放出させたトンネル電子を陽極たる試料
2に入射させている。
すなわち、STMでは尖針1と試料2間の真空ギヤツプが3
0Å以下の場合であり、尖針1と試料2に印加する電圧
の極性によらないで行われるのに対して、トポグラフア
イナーでは、上記真空ギヤツプが100〜1000Å程度であ
り、尖針1には必ず負の極性を印加するようにすなわち
尖針1を陰極として行われる。試料走査装置および走査
像のとり方に関してはSTMと同等である。
分解能に関しては、STMおよびトポグラフアイナーとも
に、試料表面に垂直な方向では1と2間の真空ギヤツプ
の1/100程度、試料表面内の二次元では真空ギヤツプと
同程度の値がそれぞれ大よその限界と考えられている。
すなわち、上記の従来技術では分解能を支配するものは
尖針1と試料2間の真空ギヤツプであり、分解能を向上
させようとすれば、〜10Åという微小ギヤツプにしなけ
ればならないし、逆に〜1000Åという比較的大きいギヤ
ツプにすると、分解能の低下を余儀なくされた。
一方、実用上計測しようとする試料の表面の凹凸は、
10Åオーダーであることは少なく、当然のことながら10
0〜1000Åにおよぶ場合が多数である。これらの表面を
例えばSTMで計測することは以下の理由によつて殆ど不
可能である。すなわち、STMにおける試料表面に垂直な
(Z)方向での大よその分解能は〜1/10Åであることを
述べたが、それは、Z方向で1/10Å以下の安定性をもつ
て圧電素子を制御しているためである。その制御を満足
させるためには、尖針駆動装置3の駆動範囲を数10Å以
内にしなければならない。したがつて、試料の走査によ
つて試料表面にある〜1000Åの段差に尖針駆動装置3が
追従して、なおかつ、1/10Åの分解能をもつことは非常
に困難である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記で詳細に説明したように、従来技術では、尖針と試
料間の真空ギヤツプを大きくすると(トポグラフアイナ
ー)、分解能が悪くなり、分解能を向上させるためには
真空ギヤツプを小さくする(STM)しかなかつた。
本発明の目的は、実用上の観点から大きい真空ギヤツプ
に対して分解能を向上させる手段を提供することにあ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
上記真空ギヤツプを大きくすることは、既に述べたよう
にトンネル現象の形態としては、尖針からの電界放出電
子を用いることになる。
第6図の略図に示すように、電界放出用尖針1から陽極
たる試料2に放出される放射角αは、尖針の金属の種
類、尖針の先端形状等に依存するが、一般に1rad程度で
ある。したがつて、尖針1と試料2間の真空ギヤツプd
と、試料2における放射電子(電流)分布の広がりD
0は、大よそ等しい。dとして1μmのギヤツプを定め
るとD〜1μmであり、前記トポグラフアイナーの例で
述べたように試料表面上の分解能としては、〜1μmし
か得られない。
そこで、D0を小さくする方法として何らかの電子に対す
るレンズ作用を応用して、尖針1から〜1rad程度に広が
つて放射された電子を集束させることが考えられる。こ
の場合、尖針1と試料2間の真空ギヤツプの近傍には電
場を乱すようなどんな電極があつてもならないから電子
レンズとして静電型レンズは不適当であり、磁界型レン
ズを用いなけれなならない。また通常の電子光学系では
電子ビームの光路の最もレンズ作用を必要とする領域で
強い磁界がかけられるが、上記静電レンズに対するのと
同様の理由および、〜1μmという微小ギヤツプから従
来用いられているような磁極の構成は不可能である。
第1図は、本発明の原理を示す図で、尖針1の外周空間
に導線で作るコイル8を設け、直流の電流を通ずること
により尖針の軸方向に平行な磁界を発生させる。試料2
に対して尖針1に負の適当な電圧を印加することにより
尖針1から電界放出電子を放射させる。コイル8に通電
しないときの放射領域D0に対し、通電したときの領域は
D1と小さくなる。この場合、1〜2間の真空ギヤツプへ
の電界の影響を小さくするため、コイル8の下端は尖針
1よりも真空ギヤツプ側にあつてはならない。Dの大き
さとしては、尖針先端の曲率半径が〜50ÅのときD0すな
わち真空ギヤツプの〜1/10程度が得られる。
〔作用〕
本発明における磁界の集束作用について以下に詳しく説
明する。一般に磁場中を運動する電子はローレンツカに
よつて磁束に巻き付くように運動し、その回転半径R
は、 で表される。ここでBは磁束密度。したがつて電子のエ
ネルギーが一定であれば磁束密度が大きい程小さい回転
半径をもつ。例として第2図に示すように、先端の曲率
半径(r)として大きい500Å程度の尖針1が陽極と1
μm程度の真空ギヤツプで対向していて、100Vの電圧で
電子が引き出されるとき、尖針の先端のほぼ半球面から
放出された電子は、初速から数Vないし数10V程度に加
速される領域で磁場による影響を強くうけて磁束と平行
方向に進行方向を変える。その後、磁束密度の低下と電
子の運動エネルギーの増大によつて再び広がる。(実際
には、電子は回転しながら進むが、図ではZ座標でもつ
電子の動径でのみ示してある。)この集束作用による集
束の形態は、尖針の曲率半径,磁束密度,電界放射電圧
および真空ギヤツプのそれぞれの値によつて異なるが、
試料面上での広がりD1は、尖針の先端部直径の2倍程度
すなわち上記例で2000Å程度にすることができる。
この集束作用を強めるためには、試料に近づく程加速さ
れる電子のエネルギーに合せて磁束密度を大きくするこ
とである。すなわち、第3図に示すように試料2の近傍
で磁束を集中させることによつて試料2上での広がりD2
としてさらに小さな値とすることができる。第2図と同
様の配置で、D2として50Å近傍まで集束することができ
る。すなわち、尖針の先端部曲率半径(r)が〜50Åで
あるとき、D2として〜10Åが得られる。この値は、真空
ギヤツプを1μm程度にしてもSTMと同様の分解能が得
られることを示している。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第4図により説明する。円柱
状の永久磁石10の中心部に尖針1の支持棒9を設け、こ
の支持棒9および永久磁石10は、圧電素子からなる尖針
駆動装置3と結合させる。非磁性体からなる試料台13
は、尖針1と垂直をなすように尖針駆動装置3と結合す
る(図中省略)。試料2は試料台13状に固定し尖針1と
1μm程度の真空ギヤツプを保つようにする。試料台13
の尖針に対向する位置の試料2と接する側で円錐形をな
し、反対側で円柱状のパーマロイなどの強磁性体からな
る磁極11および円柱状部分の外周に絶縁被覆導線からな
るコイル12を配置し、直流電源(図示せず)からコイル
12に通電して磁極11の作る磁界が試料2の表面に垂直な
方向となるようにする。この場合、永久磁石10の作る尖
針側の磁極と、磁極11の円錐状先端部の磁極は互に反対
極性となるようにコイル12に通電する。
本実施例において、電源5から尖針1および試料2の間
に電圧を印加(尖針側に負)して電界出電子を放射させ
るとき、その集束作用は第3図で説明したようになる。
すなわち、永久磁石10からの磁束は、電磁石たる磁極11
の円錐状部分の先端に集中するため、試料表面2に入射
する電子は、試料表面に近づくほど強い集束作用をうけ
る。尖針1と試料2間の真空ギヤツプおよび試料2の厚
さが異なる場合、試料表面上で集束電子の径が最も小さ
くなるように電源によつてコイル12への通電電流値を制
御する。尚磁極11の円錐状部分の先端での磁束密度が飽
和することがあるので、磁極11はできるだけ飽和磁束密
度の高い物質を選択する方が良い。なお、試料走査装置
については従来と同様であるので省略する。
本実施例で、先端の曲率半径50Åの尖針を用いて、尖針
1と試料2間の真空ギヤツプを1μm程度に設定したと
き、試料面内の分解能として前記の如くおよそ10Åが得
られる。試料面に垂直な方向の分解能としては、ほぼ同
じ10Å程度である。
本実施例を用いて、従来のSTMと同様の表面形状観察,
表面電位測定が可能であり、真空ギヤツプが大きいだけ
実用性が高い。
〔発明の効果〕
以上、詳述したように本発明によれば、真空ギヤツプを
1μm程度の大きい間隔に保つても、試料面内での分解
能を真空ギヤツプの1/10〜1/100とすることができ、従
来のSTMで10Å程度の真空ギヤツプに保たなければ実現
できなかつた分解能を得ることができる。
また真空ギヤツプを1μmという大きい間隔に保てると
いうことは、尖針駆動装置の駆動範囲を、例えば0.1〜
1μmという大きい値に予め設定することができ、その
ため実用上、試料表面の凹凸,段差等の観察が容易とな
り、対象とする試料の種類が拡大される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の原理を示す概念図、第2図および第
3図は本発明の作用を説明するための概念図、第4図は
本発明の一実施例を示す縦断面図、第5図は従来例の原
理を示す概念図、第6図は電界放出電子の放射角分布を
説明する説明図。 1……尖針、2……試料、3……尖針駆動装置、5……
電源、6……検出器、7……増幅器、8……コイル、9
……支持棒、10……永久磁石、11……磁極、12……コイ
ル。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】尖針と、上記尖針に対向して配置された試
    料と、上記尖針を試料上で走査する手段と、上記尖針の
    軸方向に磁界を発生する手段と、上記尖針から試料に放
    出される電子流を検出する手段とからなる表面計測装置
    において、上記尖針の軸方向に平行磁界を発生し、磁界
    を発生するコイルの下端が上記尖針の先端より内部にあ
    ることを特徴とする表面計測装置。
  2. 【請求項2】試料内部に上記尖針の位置に対向する位置
    に試料表面に垂直な方向に磁界を発生する手段を付加し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の表面
    計測装置。
  3. 【請求項3】上記磁界を発生する手段が、パーマロイか
    らなることを特徴とする特許請求の範囲第1項および第
    2項いずれか記載の表面計測装置。
  4. 【請求項4】上記磁界を発生する手段の磁界が、上記尖
    針の軸方向に設けられた磁界とは反対の極性になること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項から第3項いずれか
    記載の表面計測装置。
JP6563786A 1986-03-26 1986-03-26 表面計測装置 Expired - Lifetime JPH0762601B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6563786A JPH0762601B2 (ja) 1986-03-26 1986-03-26 表面計測装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6563786A JPH0762601B2 (ja) 1986-03-26 1986-03-26 表面計測装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS62223602A JPS62223602A (ja) 1987-10-01
JPH0762601B2 true JPH0762601B2 (ja) 1995-07-05

Family

ID=13292737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6563786A Expired - Lifetime JPH0762601B2 (ja) 1986-03-26 1986-03-26 表面計測装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0762601B2 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0161604U (ja) * 1987-10-13 1989-04-19
JPH01127903A (ja) * 1987-11-12 1989-05-19 Jeol Ltd 試料移動機構を備えた走査トンネル顕微鏡
JP2590146B2 (ja) * 1987-11-16 1997-03-12 株式会社日立製作所 イオン加工装置
JP2610953B2 (ja) * 1988-08-11 1997-05-14 株式会社日立製作所 微小距離測定方法および装置
JP2547440B2 (ja) * 1988-09-28 1996-10-23 株式会社日立製作所 磁気ヘッドスライダ浮上量測定装置
JP2700696B2 (ja) * 1989-09-29 1998-01-21 花王株式会社 表面形状の測定方法および装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPS62223602A (ja) 1987-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4618767A (en) Low-energy scanning transmission electron microscope
JPH10511467A (ja) 原子間力顕微鏡内の交流検出用力センサを磁気変調させる方法
WO1985004757A1 (en) Secondary electron detector
US6504164B2 (en) Electron beam apparatus
JPS61288357A (ja) 定量的電位測定用スペクトロメ−タ−対物レンズ装置
CN115886773A (zh) 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法
JPH0762601B2 (ja) 表面計測装置
US7469039B2 (en) Device and method for generating an x-ray point source by geometric confinement
JPH09506467A (ja) 針及び隔膜のような抽出電極を有する電子源を具えている粒子−光学装置
US7573053B2 (en) Polarized pulsed front-end beam source for electron microscope
Banbury et al. A high-contrast directional detector for the scanning electron microscope
JP3073575B2 (ja) 画像に応じて書き込みおよび消去を行なう装置
JPH09218213A (ja) 極微小磁区観察方法と極微小磁区観察装置
Lin et al. High speed beam deflection and blanking for electron lithography
JP2009129799A (ja) 走査透過型電子顕微鏡
JPH0340360B2 (ja)
JPH0773841A (ja) 走査電子顕微鏡と二次電子検出系
Wells et al. Schlieren method as applied to magnetic recording heads in the scanning electron microscope
JPH063397A (ja) 電位分布測定装置
US6476386B1 (en) Method and device for tunnel microscopy
JP2004087455A (ja) 走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡の制御方法
JPS593822B2 (ja) 画像表示用電子源
JPH09159682A (ja) 磁場制御による走査プローブ顕微鏡
JPH0668832A (ja) 走査電子顕微鏡
JP2810077B2 (ja) 走査トンネル顕微鏡